（电力电子与电力传动专业论文）全数字汽车头灯电子镇流器的研究.pdf

a b s t r a c t x e n o nl a m pi so n ek i n do fh i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g e ( h i d ) l a m p s a n di th a st h ea d v a n t a g e s o fh i g hs t a b i l i t y , l o n gl i f et i m ea n de n e r g ys a v i n g x e n o nl a m ph a sb e e ns e l e c t e dt h em o s tp o p u l a r a u t o m o t i v eh e a d l a m pr i g h tn o w , a n di t sd e m a n do nm a r k e ti sk e e p i n gi n c r e a s i n g a sar e s u l t ，t h e r e s e a r c ho na u t o m o t i v eh e a d l a m pe l e c t r o n i cb a l l a s ta t t r a c t sm a n ye l e c t r i c a le n g i n e e r s a u t o m o t i v e h e a d l a m pe l e c t r i c a lb a l l a s th a sm a n yc o n t r o li d e a s ，c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a la n a l o ga n d d i g i t a l a n a l o gc o n t r o lm e t h o d s ，f u l l d i g i t a lc o n t r o lm e t h o dh a st h eh i g h e s tf l e x i b i l i t y , a n di t b e c o m e st h ed e v e l o p i n gt r e n di nt h i sr e s e a r c ha r e a c h a p t e r lf i r s tg i v e st h eb r i e fi n t r o d u c t i o na b o u tl i g h t i n ga n dh i dl a m p s ，t h e ni n t r o d u c et h e p h y s i c a la n de l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fh i dl a m p a tt h ee n d o ft h i sc h a p t e r , t h eh i s t o r y , a p p l i c a t i o ns t a t u sa n dd e v e l o p i n gt r e n do fh e a d l a m ph a sb e e nd i s c u s s e d t h ei m p o r t a n tm e a n i n g o f t h et h e s i sa l s oh a sb e e ng i v e n c h a p t e r2m a i n l yg i v e ss o m er e s e a r c hr e s u l ta b o u th i de l e c t r o n i cb a l l a s ti n c l u d i n gb a s i c b a l l a s tt o p o l o g y , k e yp r o b l e m so fh i de l e c t r o n i cb a l l a s t t h ea u t o m o t i v eh e a d l a m pe l e c t r o n i c b a l l a s ti so n ek i n do fl o w - f r e q u e n c ys q u a r e - w a v eh i de l e c t r o n i cb a l l a s t ，s ot h i sc h a p t e rp a y sm o r e a t t e n t i o nt ol o w - f r e q u e n c ys q u a r e w a v ee l e c t r o n i cb a l l a s t t w o - s t a g el o w - f r e q u e n c ys q u a r e - w a v e e l e c t r o n i cb a l l a s th a sb e e ni n e l l i d e d c h a p t e r3g i v e ss o m er e s e a r c hr e s u l t sa b o u tk e yt e c h n i c a lp r o b l e m sa b o u th e a d l a m p e l e c t r o n i cb a l l a s tb a s e do nf o r m a lc h a p t e r sr e s e a r c hr e s u l t s t h e s ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m sa r e ：t h e s t a r t u pt e c h n i c a lp r o b l e m so fx e n o n 。t h ed c d cc o n v e r t e r , t h ei g n i t e rc i r c u i ta n da l lk i n d so f c o n t r o lm e t h o d s b e c a u s ef u l l d i g i t a lc o n t r o lm e t h o dh a sb e e nc h o s e n , t h ef u l l d i g i t a lc o n t r o l t e c h n i c a lh a sb e e nd i s c u s s e dv e r yc a r e f u l l y c h a p t e r4i st h ed e s i g np r o c e s so fa l ls y s t e mp a r t s ，i n c l u d i n gh a r d w a r es t a g ed e s i g n ，s o f t w a r e s t a g ed e s i g n , p a r a m e t e rc a l c u l a t i o no ft r a n s f o r m e ra n ds y s t e mw a s t ec a l c u l a t i o n , c o n t r o lm e t h o d o fw h o l ec o n t r o lp r o c e s s b yt h ei m p l e m e n to fa m o m o t i v eh e a d l a m pe l e c t r o n i cb a l l a s tp r o t o t y p e ， e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v eb e e ng i v e n t h e s er e s u l t ss h o wt h er a t i o n a l i t yo ft h es y s t e md e s i g na n dd o s h o wf u l l d i g i t a lc o n t r o lm e t h o dh a sb e e n s u c c e s s f u l l yi m p l e m e n t e d k e yw o r d s ：h i dx e n o nl a m p ，a u t o m o t i v ee l e c t r o n i cb a l l a s t , l o w f r e q u e n c ys q u a r e - w a v e ， f u l l - d i g i t a lc o n t r o l ，p l a n a rt r a n s f o r m e r 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得浙江大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：桶a 串 签字日期： 加厶年7 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江大学可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：桶众弗导师签名： 哉亘哆 签字日期：劲d 年弓月9 日 签字日期： ju 年，月7 日 浙江大学硕士学位论文 光的几个概念 ( 一) 光的本质 第一章绪论 第一节照明简介 光是由光源发出的辐射能中的一部分，称为“可见光”。从物理学的观点，光是电磁波， 即一种电磁辐射能。将各种电磁波按他们的波长依次展开来，这就是电磁波谱认1 删。 ( 二) 可见光 可见光是电磁波辐射到人的眼睛以后，经视觉神经转换成为光线，。即被肉眼看见的那一 部份光谱。这类射线的波长范围一般在3 6 0 到8 3 0 r 珊之间，这些射线仅仅是电磁辐射光谱非 常小的一部份。光的颜色从紫色开始，按照蓝、青、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化。相邻 两种颜色之间没有明显的分界点，而是由一种颜色逐渐地减少，另一种颜色逐渐地增多来过 渡的。全部可见光波混合在一起就形成了日光，也就是我们所说的白色光。 ( - - ) 发光强度 光源在空间某一特定方向上单位立体角内辐射光通量的空间刻度，称之为光源在该方向 上的发光强度，也称为光强。 ( 四) 光通量 光源发射出来被人们的眼睛接收的那部分能量之总和称为光通量，用符号巾表示，单位 为流明( 1 m ) 。 光通量为电光源的一个重要参数，是照明设计的必备数据之一，而评论电光源的特性优 劣与否常常以光视效能为依据。电光源的光视效能通常以消耗1 w 电功率而产生多少流明光 通量来表示，单位为流瓦( 1 m w ) 。 ( 五) 照度 照度是用来表示在被照面或点上光的强弱。 ( 六) 辉度 辉度是表示眼睛从某一方向看到物体反射光的强度，单位：坎德拉平方米 c d a 2 。 浙江大学硕士学位论文 ( 七) 光效 光效是指电能转换成光能的效率，单位：流明每瓦 i m w 。 ( 八) 色温 色温的单位是开尔文。开尔文温度和色彩的关系起源于黑体辐射体在不同温度下呈现出 来的色彩，也就是色温。当黑色物体受热后开始发光时就将变成暗红色，如果再加热就会变 成黄色，然后是白色，最后变成蓝色。 二、几种主要的现代光源 ( - - ) 白炽灯 白炽灯是爱迪生在1 8 9 7 年发明的，它的原理是电流通过一根细小的碳丝而发光发热， 欧司朗在1 9 0 5 年用金属丝代替碳丝，使得它的光强超过了碳丝的效果。 ( 二) 卤素灯 卤素灯从发明至今一直都得到了广泛的应用。卤素灯所发出的光线强而且具有冷色调， 照射到物体上面可以使其看上去更加夺目。卤素灯的光强度也比白炽灯更具有优势，而且卤 素灯具有从瓦数范围到品种范围的多种选择。在电能消耗方面，同样的光通量，卤素灯比白 炽灯耗电量节约百分之五十。卤素灯给白炽灯带来了强烈的冲击。 ( 三) 荧光灯 荧光灯跟白炽灯相比具有更高的流明效率、更小的体积、更低的电能消耗和更长的寿命。 不同的荧光灯型号还具有不同的省电程度，有些型号的省电程度甚至达到了8 5 。荧光灯在 一定程度上可以覆盖所有的白炽灯的应用场合。 ( 四) 高强度气体放电灯 高强度气体放电灯具有和荧光灯以及白炽灯完全不同的工作原理。高强度气体放电灯是 通过灯管内部两个电极之间发生弧光放电激发灯管内部的填充物质发出光线。高强度气体放 电灯和荧光灯以及自炽灯还有一点不同的是，高强度气体放电灯需要通过镇流器来实现灯电 流的限流和点火击穿的功能。在高强度气体放电灯的种类里面，填充氙气等稀有气体和填充 金属卤化物的高强度放电灯具有不同的启动特性，填充物为金属卤化物的灯需要更长的启动 时间以完成灯管内填充物完成蒸发的累积。 高强度气体主要有以下一些常见的种类：氙气灯、低压钠灯、高压钠灯、金属卤化物灯、 2 浙江大学硕士学位论文 高压汞灯、自镇流汞灯等。 高压钠灯具有很高的光效，而且它的色温低，穿透雾气和尘埃的能力特别强，所有它被 主要运用在路灯照明等天气环境比较恶劣的场合。 金属卤化物灯由于光效比较高、光色好、而且节能，成为了绿色照明工程的首选产品。 他的应用场合主要有：体育馆、车站、机场、港口、电影、电视、投影仪等。 氙气灯是一种含有氙气的新型高强度放电灯，由飞利浦公司花费了5 年的时间研制成功 的，最早主要运用在工业及建筑照明上。h i d 氙气灯打破了爱迪生发明的钨丝发光灯的原理， 氤气灯在石英灯管内填充高压惰性气体一x e n o n 氙气，取代了传统灯丝，在它的两段电极上 有水银和碳素化合物，通过镇流器以大于2 3 k v 的高压电流刺激氙气发光，在两极间形成了 完美的白色电弧，发出的光接近完美的太阳光。由于氙气所产生的超强白色电弧光近似于白 昼的太阳光，所以它成为了目前汽车照明的一个比较好的选择。 ( 五) 无极灯 无极灯顾名思义就是采用了无电极设计，突破性电磁场感应发光的原理。由于无极灯的 寿命不再跟内部的发光灯丝相关，所以无极灯的维修和更换的费用得到了限制。除此之外， 无极灯还具有无闪烁、启动快、寿命比较长和光通量衰减慢的优点。 ( 六) l e d 、 l e d 是一种半导体固体发光器件，即发光二极管。它的发光原理为：二极管两端加上正 向的电压，其内部的载流子发生复合引起了光子的发生从而产生可见光。现在的l e d 可以发 出红、白、绿、黄、蓝、紫、青、橙的光线，目前的l e d 已经在商业领域得到了淋漓尽致的 应用，在汽车领域，除了前照大灯以外的其他照明部分基本上都使用上了l e d 。总的来说， l e d 具有供电电压要求低、效能高、适用性强、稳定性好、响应时间快等优点，是目前最具 发展前景的光源。 表1 1 是各类光源比较的情况，从目前来看，高强度气体放电灯和l e d 是最为理想的高 效绿色光源。 3 浙江大学硕士学位论文 表1 1 各类光源比较 光源类型 白炽灯荧光灯h i dl e d 发光效率( 1 m v )1 0 - 1 57 0 1 0 07 0 1 2 01 5 - 5 0 平均寿命( 小时) 1 0 0 01 0 0 0 02 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 三、高强度气体放电灯( h i d ) 的特性 ( 一) 物理特性 发光的原理为：采用一定的手段使气体原子获得能量从基态激发到更高能态的能级，处 于高能态的原子是不稳定的，它会自动的从高能态跃迁到低能态，高能态和低能态之间的能 量差，就以光的形式释放出来。原子在哪些能级之间跃迁不是随意的，能级之间的确定要由 量子数的选择定则来确定，我们把辐射能量的波长称之为原子线状谱。在可见光范围内的谱 线能够被人的肉眼看见，这就成为了气体放电发光的现象。除了以上描述的激发现象，还有 一个过程也很重要，那就是电离。在灯管内，如果从阴极发出的电子没有被完全的电离，那 么灯管内就会充满空间负电荷，这些负电荷将在阴极附近形成强烈的电场来阻止电子从阴极 发射，此时，正离子可以起到中和负电荷的作用。在放电过程中，一些电子会扩散到灯管壁 而损失掉，所以在灯管内也需要将气体原子重新电离，以对正离子和损失掉的电子进行补充。 从上述过程可以看到，电离碰撞对气体放电行为来说是非常重要的。 为了使放电电流持续稳定，不管是采取激发还是电离的形式，都必须将空间里面充满带 电的离子。通过电极提供带电离子是一个通常的方法，不难理解，将提供负离子的电极称之 为阴极，并将阴极发射电子的过程称为电子发射。通过热电子发射的方式可以让电子获得足 够的能量来实现逸出功的要求。热电子发射可以采用对阴极加热的方法，当被加热的阴极温 度不断上升时，电子的平均速度上升，具有更快平均速度的电子更能从阴极逸出。热电子发 射现象一般要在1 0 0 0 k 时比较明显，所以，阴极上升到一定温度是热电子发射的必要条件。 从上面关于激发、电离、逸出功、热电子发射等介绍可以知道，热电子阴极要想作为一 个理想的气体放电光源，必须具备以下一些条件：高熔点、低逸出功、低蒸发速率等。热电 子发射是弧光放电阴极中最主要的一种发射形式，高压汞灯、金卤灯、汽车氙气灯的电极都 是采用的这种方式。 电流的形成原理：当气体放电的时候，会在其放电的空间内产生大量的正离子和电子， 4 浙江大学硕士学位论文 这些正离子和电子就在电场力的作用下做迁移运动，形成电流。在电流的形成过程中，质量 大，行动迟缓一点的正离子会在空间里面形成浓密的正电荷区域，当一些正离子去抵消了空 间的负电荷以后，其他的一些电子将更容易的跑向阳极，从而放电管在低电压的条件下就能 获得较大的电流。 图卜1 所示为气体放电过程的伏安特性图。下面对每一段放电特性进行分析。 图1 1 气体放电的伏一安特性曲线 o a 段：带电离子在电场力作用下向电极运动，形成电流。随着电场力的慢慢加大，带 电离子的速度就会加快，复合程度减小，电流相应地慢慢增大。 a b 段：在a b 段，电场力将会再增强，所有电离产生的带电粒子全部到达电极，这时电 流就发生了饱和。 b e 段：极间电压继续加大，初始带电粒子的速度会在电场力作用下被加速到很大，电 子数目如雪崩式增加的过程如下：加速的带电粒子与中性原子做相同的电离碰撞，产生 更多的带电粒子，这段过程通常也被称为雪崩放电。在c 点，通过灯管的电流突然增加 到d 点，在d 点以后，管内的压降开始迅速地降低，在这一过程中，灯管中将会产生可 见的光辉，c 点被称为气体放电的着火点，相应的电压被称为灯管的着火电压。 e g 段：在e f 段是一个正常的辉光放电阶段，电流不断增加，但管压降基本保持不变。 管压降维持不变的原因是因为在这个范围内，阴极没有被全部用于电子发射，而用于发 射的面积正比于电流，所以电流增加的原因只是因为增加了阴极的发射面积，而不改变 其管压降。当电流不断增大到整个阴极面积都用于电子发射时，就到达了f 点。 g h 段：这个阶段被称为弧光放电阶段，在这个阶段内，电流继续增大，当阴极温度升 高到能够产生显著的热电子发射时，阴极的电位降又开始减小，阳极的电位降开始上升， 5 浙江大学硕士学位论文 于是管压降将再次大幅度地下降，当最后达到某一弧光放电值时，就会产生出强烈的弧 光。 o c 段：这个阶段的放电是非自持的，如果外致电离作用突然撤销，则电流将会立即停 止，c 点以后的放电都是自持放电，从e 点以后都是稳定的自持放电m 删。 ( 二) 电特性 弧光放电的负伏安特性：从图1 - 2 的曲线中可以看到，d v l d i l 是一个负值，也就是说 放电灯的伏安特性是负的，这也就是气体放电灯的负阻特性吣3 。具有负伏安特性的器件 让其单独工作是不稳定的。假设这一放电灯的特性如图卜2 所示中曲线a ，当a 工作于某一 电压v l ，此时流过的电流为v 1 ，如果扰动的影响，使电流从1 1 瞬时增加到了1 2 ，这个电 流变动就会产生了一个过剩的电压，大小为v l v 2 ，过剩的电压将会使电流进一步增加。 同样，如果扰动将电流从1 1 瞬时减小到1 3 ，如果要维持1 3 ，电压就差了v 3 一v 1 ，这又导 致电流进一步减小。可见，具有负的伏安特性的放电灯要是单独被连接到电网中，放电灯在 工作时就会出现不稳定的情况，它会导致灯电弧很快地熄灭或导致灯电流无限止地增加，一 直大到灯或电路的某一部分因为电流实在过大不能承受而被烧毁为止。 因为弧光放电的负伏安特性，可以考虑把电阻和弧光放电电弧串联起来使用来避免电弧 的不稳定性，在图1 - 2 中，a 是弧光放电电弧的伏安特性，b 是电阻的伏安特性曲线c 是二 者伏安特性的叠加曲线，因为有了电阻正的伏安特性的叠加，c 具有了正的伏安特性，正 的伏安特性能够保证负载能在电网中稳定地工作。在交流情况下，能够使用的限制电流的器 件有电阻、电容、电感等，这些器件被统称为镇流器。 v 3 v 1 v 2 1 3i l 1 2 i l 图1 2 高强度气体放电灯在直流稳态工作时典型的伏安特性 6 浙江大学硕士学位论文 第二节汽车头灯的发展过程和现状 汽车头灯在近一百年的时间里先后经历了从白炽灯，卤素灯，到h i d 氙气灯，再到现在 成为研究潮流的l e d 汽车前照大灯的这样一个发展阶段。 1 8 8 0 年爱迪生和合作伙伴做出了第一个白炽灯泡，并于1 9 世纪2 0 年代将其应用在了 汽车上，开始了汽车照明的功能。这种传统的白炽前照灯有两个缺点：一是效率低；二是光 线容易导致驾驶员的眼睛疲劳，而且白炽灯使用寿命比较短，达到一定时间光线会变暗甚至 灯泡损坏，影响使用安全。 1 9 6 2 年卤素灯开始了在汽车上的应用。卤素灯的灯丝是传统的金属灯丝，其发光原理 是电流流过灯丝以后，灯丝的温度升高而热辐射发出可见光。卤素灯的发光效率低，照度低， 因此，为了满足亮度的需求，汽车前照灯都做得比较大，但是过大的体积给车体的设计带来 困难，增大了风阻值，加大了耗油量。为了配合车体空气动力学的要求，近年来汽车前照灯 的设计已经朝着缩小前照灯的体积来搭配车身的整体设计，并且提供更好的照明特性以确保 行车的安全方面来发展m 1 叫，而h i d 氙气灯的出现正好为这种设计带来了方便。现阶段， h i d 氙气灯由于其较其他光源比较突出的优点，在汽车头灯的应用场合成为了主流。氙气灯 一般分1 2 0 v ，2 4 0 v 和3 8 0 v 三种，瓦数从几十瓦到几千瓦不等。汽车用氙气灯是在工业氙气 灯的基础上改进的，汽车氙气灯输入电压为1 2 v ，瓦数分3 5 w 和5 5 w ，绝大部分车用3 5 w ， 少数5 5 w 的大都安装在了远光灯上。 l e d 汽车头灯是现在的一个研究热点，但是因为其散热和光衰的问题，使其现在更多的 应用在一些概念车上，大规模的应用还有待时间的检验和技术上的进步。 自从上世纪8 0 年代中后期飞利浦公司开发了第一款h i d 氙气灯以后，这种类型的光源 直到1 9 9 2 年才第一次在汽车上应用。目前，将氙气灯作为基本配备的汽车主要有宝马、奔 驰、奥迪、雷克萨斯等中高档汽车公司。相比较其他应用于汽车上的电子设备，汽车前照大 灯是最耗电的汽车配件之一，因此让汽车配备能够减轻电瓶负载，延长汽车电池使用寿命以 及提高汽车照明质量、减轻驾驶员视觉疲劳的h i d 氙气灯是目前比较主流的选择。在氙气灯 电子镇流器领域，飞利浦处于业界领先水平，掌握了众多的专利技术，除此以外，德国海拉、 欧司朗、日本松下、韩国k d g 等外国公司也在h i d 氙气灯电子镇流器市场拥有较强的技术实 力。在国内的汽车改装市场，也冒出了不少的国产h i d 氙气灯品牌，比如雪莱特、海迪、东 方莱特、海宁泰昌等，这些品牌经过了几年的发展，在技术上也有了长足的进步，成为和国 7 浙江大学硕士学位论文 外大公司竞争的主要力量。在汽车氙气灯的型号上已经发展成为了两大类：专用型号和大众 型号。一般欧洲给世界各大汽车生产厂商配备的型号为专用型号，为d 2 s d 2 r 两种。大众型 号主要是根据汽车灯原有的卤素灯的型号相对应配备的h 1 ，h 3 ，h 4 ，h 7 ，9 0 0 5 ，9 0 0 6 。朗 威针对特殊高档豪华和跑车的车型也陆续推出了h l o ，h l l ，h i 3 ，9 0 0 4 ，9 0 0 7 等型号。 氙气灯的行业标准于2 0 0 8 年8 月才正式推出，以前一直沿用的是卤素灯的相关标准， 加上主要的核心技术一直掌握在外国公司，氙灯又有如此复杂的自身的特性，所以在国内的 氙灯电子镇流器的研发领域，实际上还有很多有待解决的问题。 根据汽车头灯的具体应用场合，v e d i l i s 计划对氙灯在启动过程中的光输出特性做了比 较严格的要求，如图卜3 所示m 1 。 ： a ： o _ c 9 j 图1 3 氙灯在启动过程中的光输出特性要求 从各个阶段的发光效率，可以看到，要达到上述光输出特性的灯电压一灯电流以及灯功 率一灯电压曲线分别如图i - 4 和图i - 5 所示。 3 0 芒2 5 巴 一2 0 o 争v 1 5 匕 三1 0 0 5 0 0 01 02 03 0 4 0 5 06 0 7 08 0 9 01 0 0 l a m pv o l t a g e ( v ) 图1 4 灯电压一灯电流曲线 8 浙江大学硕士学位论文 l a m pv o l t a g e ( 、，) 图1 5 灯功率一灯电压曲线 9 加们加们 0 一一q山一一也也3 山o-l叱山o山 浙江大学硕士学位论文 第三节汽车头灯的发展趋势 h i d 氙气灯电子镇流器的基本运行不再是技术上的难题，在电力电子技术借助半导体芯 片飞速发展的今天，h i d 氙气灯电子镇流器的智能化控制，高功率密度、高效率是现在的研 究重点。数字控制替代模拟控制乃至逐渐替代数模混合控制是发展的趋势，相对于后两种控 制方式，全数字控制方式的可靠实现意味着更简单的结构，更灵活的控制思想，更精确地匹 配灯的特性以延长其寿命。在智能化的发展方向上，有了全数字控制的手段，可以非常精确 和简单地检测负载的特性，通过简单的程序上的设计就能够让同一台电子镇流器匹配不同功 率等级的h i d 氤气灯，除此以外，得益于控制技术的进步，除了对灯进行单方向的控制，还 能够让灯不断的反馈自身适时的工作状态，这样就更进一步的保证其使用的人性化和安全 性。 l e d 汽车头灯是现在研究得非常红火的方向，其自身特性相对于h i d 氙气灯有着很明显 的优势，但是l e d 头灯也有其散热和光衰等方面的问题，相信随着l e d 的发展，在汽车前照 大灯的应用领域它会是替代h i d 氙气灯的一种非常好的选择。 第四节本课题的主要意义和完成的工作 目前，在h i d 氙气灯电子镇流器领域，我们面临的一个现状是：中国的汽车头灯电子镇 流器的研究水平和世界知名电力电子学府和企业相比，在技术研发和产品质量上都存在一定 的差距。目前国内的很多电子镇流器研究机构不能够在整个电子镇流器系统级别上做到面面 俱到，总是存在一定的木桶效应，即无法从产品效率，寿命、可靠性、成本等多方面做到齐 头并迸。中国的很多照明科学研究机构具备一定的科研水平，但是从科研样机到商业产品还 需要付出更多努力。在中国的汽车照明企业界里，很多合资工厂都是引进技术，缺乏自身的 技术积累，在这种情况下，随着科技的进步，产品的技术升级和更新换代势必会造成原有引 进技术的淘汰，所以，发展中国自身具有自主知识产权的汽车头灯照明技术，缩小与国际先 进水平的差距是每一个研究汽车照明的中国人的职责。 本课题目标对准于h i d 氙气灯电子镇流器的发展方向即全数字控制超薄h i d 氙气灯电子 镇流器，虽然面临众多的技术上的难题，但是立足于基本的电子镇流器技术，希望能对全数 字控制h i d 氙气汽车头灯电子镇流器的发展起到一定的推动作用。 本实验课题的最终目标为设计一台高性能、控制灵活、高功率密度的3 5 n 全数字控制汽 车头灯电子镇流器，课题的主要创新点在于全数字芯片的应用和样机超薄体积的实现。本论 1 0 浙江大学硕士学位论文 文将从始至终进行以下一些主要的工作： 首先研究电光源的特性，尤其是高强度气体放电灯的自有特性，为电子镇流器匹配其工 作提供理论准备。由于是针对h i d 氙气灯，所以将对h i d 氙气灯作重点关注。 研究高强度气体放电灯电子镇流器的关键技术，对高强度气体放电灯从整体系统构成到 各个子电路模块作细致的研究和比较，其中低频方波技术是解决h i d 灯电子镇流器的主要方 案，所以文章在低频方波h i d 灯电子镇流器领域做重点研究。 针对h i d 氙气灯全数字控制汽车头灯电子镇流器的开发，将详细地对h i d 氙气灯电子镇 流器的直流直流变换级拓扑、启动特性、点火电路、控制技术等这些方面做关键技术的研 究。 基于上述领域的研究成果，采用m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 3 f 0 6 g s 2 0 2 芯片从理论上给出 针对3 5 wh i d 氙气灯的全数字控制汽车头灯电子镇流器的详细设计流程。在实际中制作实验 样机，通过电路的调试，给出实验结果，以验证所有理论研究的正确性。 浙江大学硕士学位论文 第二章h i d 灯电子镇流器的研究 第一节h i d 灯镇流器简介 高强度气体放电灯不能直接用在电源上，这是由其自身的负阻特性决定的。电子镇流器 的出现使其能够得到大规模的应用，电子镇流器的基本原理就是让灯和高阻抗的元件串联， 使系统整体呈现正阻抗，但是电感式镇流器和电子镇流器的工作原理是不同的。下面将对几 种基本类型镇流器作介绍。 电感式镇流器 当高强度气体放电灯工作在交流时，电子浓度会随着灯电流的大小成正比例变化。电感 式镇流器的工作频率为电网频率，因此，这种系统的功率因数值很低。交流工作频率会使电 流有过零点，这个时刻很容易引起再点火现象的发生。 下图是以电感式镇流器为例，让金属卤化物灯作为负载获得的一些实验图。图2 - 1 为输 入端和输出端的灯电流和灯电压波形，从图2 - 1 可以看到，输入端的电流畸变比较大，因此 功率因数很低，图中灯电压波形中的小尖峰就是再点火现象的呈现。再点火现象对灯的寿命 是不利的，而且灯内无电流的时间太长的话，不但灯重复点火比较困难，灯还会出现频闪陋。 ( a ) 图2 1 电感式镇流器的输入输出波形 二、提供高频灯电流的h i d 灯电子镇流器 高频h i d 灯电子镇流器的系统框图如图2 - 2 所示，主要包括三个单元：功率因数校正电 路、高频逆变电路、谐振电路。 1 2 浙江大学硕士学位论文 高频 l 交流输入ep f c 逆变谐振电路 电路 图2 - 2 提供高频灯电流的h i d 灯电子镇流器 功率因数校正电路是为了减小输入电流谐波对电网造成的污染，同时给高频逆变电路一 个稳定的直流母线电压。p f c 一般采用b o o s t 电路结构，以实现输入端的高功率因数和低输 入的电流谐波的要求。 在高频电子镇流器的逆变级，主要有全桥和半桥两种结构，两种电路结构分别如图2 - 3 和图2 _ 4 所示，他们的主要作用都是为了给灯提供高频的电流。电子镇流器工作在高频状态 最大的好处是可以使用更小的磁芯材料，从而减小镇流器的体积。半桥逆变电路具有简单的 结构，容易控制，缺点就是电压利用率比较低。在大功率应用场合，可以采用全桥逆变电路， 全桥逆变电路的直流母线利用率是半桥结构的2 倍，同样的输出电流，逆变级采用全桥结构 的电子镇流器的输出功率是半桥结构的2 倍。 图2 3 半桥逆变高频谐振电子镇流器 i ：4 l c 2 丐翟 l 1 i f c l c l ； 广 图2 4 全桥逆变高频谐振电子镇流器 在图2 3 和图2 - 4 中还包括了电流的谐振电路，通过谐振可以为灯提供类似正弦波的灯 1 3 浙江大学硕士学位论文 电流。另外，当高强度气体放电灯工作于高频时，其工作性能还会发生一些相应变化，这些 变化主要表现为光效提高、效率得到一定的提升等扭。 虽然对于高强度气体放电灯而言，高频电子镇流器具有控制简单、灯电流稳定、容易启 动等特点，但是h i d 灯在高频工作时所固有的声谐振问题成为h i d 灯高频电子镇流器发展的 瓶颈。 三、提供低频灯电流的电子镇流器 由于高频工作的电子镇流器会带来声谐振问题，所以提供低频灯电流的电子镇流器得到 了更快速的发展，低频电子镇流器的设计原理就是为高强度气体放电灯提供低频方波电流避 免其工作频率到声谐振的范围以内。最具代表意义的交流输入的低频方波工作原理的电子镇 流器拓扑为三级结构低频方波电子镇流器，它由功率因数校正级、d c d c 级和低频逆变三级 组成嘲嘲。 第二节高强度气体放电灯电子镇流器的研究难点 一、高强度气体放电灯声谐振问题 声谐振现象是高强度气体放电灯的固有现象，当高强度气体放电灯工作在高频下时，就 会发生灯电弧的不稳和闪烁的现象，这种情况对照明效果有很大影响，严重时会引起熄弧以 及破坏电子镇流器和灯管，因此如何有效地防止声谐振是电子镇流器设计的一大研究热点。 在研究声谐振问题的领域，主要有以下几个方法可以避免声谐振抽：反馈消除法、频率 调制法、选频运行、超高频点灯、高频方波工作和低频方波工作。 高频工作方式一般应用电感电容等电抗元件在高频下的阻抗特性来实现镇流工作，而低 频方波则通过控制技术实现控制灯电流或灯功率处于稳定状态。目前被认为最可靠和最有效 的方法就是低频方波的方法。 二、h i d 灯的启动 h i d 灯一般需要一个2 k v 一3 0 k v 的高压脉冲来击穿，而且这个高压脉冲必需维持足够长 的时间以确保灯能够被顺利点亮。点火方式又主要分为谐振式点火和脉冲式点火两种。谐振 点火是利用l c 谐振来产生高压脉冲，脉冲式点火是通过点火变压器和触发器件使变压器的 副边产生一个高压脉冲。谐振式点火一般应用于点火电压要求比较低的场合，脉冲式点火则 1 4 浙江大学硕士学位论文 应用于点火电压比较高的场合，如金卤灯、汽车头灯等。当灯被击穿的瞬间，灯的阻抗会突 然变得很低，所以启动电流会比较大，过电流和点火电路产生的高压脉冲都极容易损坏电子 镇流器，所以电子镇流器对点火过程的保护要求很高。 三、恒功率控制 由于高强度气体放电灯有负阻特性，而且灯的工作特性还会随着其它因数( 比如灯寿命、 工作温度等) 变化，所以高强度气体放电灯在其稳态工作时经常会出现功率浮动的情况。此 外，高强度气体放电灯其自身特性的一致性不是非常好，哪怕是同一家公司生产，同种额定 功率的灯他们的额定工作电压也有一定的偏差，功率的漂动及非额定功率的运行都会极大的 影响灯的寿命，因此，研究电子镇流器的恒功率控制的普遍性也是一个难点。 四、保护电路 h i d 灯的工作环境通常非常恶劣，这样就要求电子镇流器具有非常好的保护功能以确保 灯的正常运行和电子镇流器不被其他外界因素损坏。保护功能一般包括短路、开路、热启动 保护以及灯寿命的检测等。 第三节交流输入低频方波h i d 灯电子镇流器的研究 目前交流输入的低频方波电子镇流器主要有一级、两级、三级这三种主要的拓扑结构。 一、单级式低频方波电子镇流器 单级式拓扑将p f c 电路、d c d c 电路、d c a c 电路全部整合到一级，电路如图2 - 5 所示， 大大的缩减了电子镇流器体积。然而，与多级式电子镇流器相比，在一级电路内同时完成功 率因数校正、功率控制、启动控制等许多功能，虽然开关器件的数量有所减少，降低了成本， 但是由于开关工作模式的影响，这种结构的电路效率和功率因数并不高，而且由于将几种控 制功能集中在一起，这种电路的驱动控制非常复杂，对电路的可靠性是一个严重的挑战，因 此，这种结构的拓扑并不实用1 。 1 5 浙江大学硕士学位论文 a c 图2 5 单级式低频方波h i d 灯电子镇流器电路 二、三级式低频方波电子镇流器 传统的三级式低频方波电子镇流器的结构为：功率因数校正级、直流直流降压电路和 桥式逆变级。该电路最早在7 0 年代被提出，图2 - 6 是其典型电路结构图，后人对这个电路 进行了大量研究，目前这个电路结构已被工业界广泛接受，它由2 2 0 v 的交流输入电压经过 不控整流后，输入第一级的功率因数校正电路，得到直流母线电压，然后通过降压电路将 p f c 电压进行变换，灯的功率控制一般在d c d c 电路里进行，通过功率因数校正和降压转换 后，得到的直流电流再经过第三级的逆变电路就可以使灯正常工作在低频方波状态。这种三 级结构的电子镇流器的每一级的控制相对独立，比较简单，其主要缺点是：三级电路结构复 杂，成本较高，逐渐被两级低频方波电路所取代嘲。 a c m i g m t e r 图2 6 三级式低频方波h i d 灯电子镇流器基本拓扑 三、两级式低频方波电子镇流器 ( 一) 功率因数校正+ 降压逆变结构 功率因数校正电路和降压逆变组合的结构是两极里面研究得最多的蚓嗍。图2 7 所示 的两级低频方波结构电子镇流器由p f c 级和全桥降压逆变级组成幢1 们 b i l l 其中变压器t 用于 1 6 浙江大学硕士学位论文 在灯启动时提供高压。正常工作时通过全桥中的正、负b u c k 变换器轮流工作，这样灯两端 就得到低频变换的电流。这种电路采用的是单级b o o s tp f c 电路，功率因数高，此种两级方 案，控制方法灵活，直流母线电压利用率高。 射| 兰 p f c = c t 甜鬈 图2 - 7p f c + 全桥降压逆变低频方波电子镇流器 图2 - 8 是另一种将降压和半桥逆变电路组合成一级的电路拓扑哺1 2 1 ，相对于图2 7 ，其 结构得到了简化。这种两级结构的点火方案，电流过冲小，结构简单，但是直流母线利用率只 有全桥逆变结构的二分之一，通常用于功率不大的电子镇流器场合。 】 p 一 p f c r 、m i i 。= 兰c 2点火电感l m p】i】 图2 - 8p f c + 半桥降压逆变低频方波电子镇流器 图2 - 9 为一个双半桥结构的逆变级拓扑眦，这种拓扑结构的主要特点是：采用双半桥 结构，有效地避免了桥臂直通的问题。工作过程中利用到了l c 谐振，实现了开关管的零电 压开通。由于两个开关管独立于两个不同的桥臂，能够在工作时减小寄生二极管的导通时间， 效率得到了提高。 1 7 浙江大学硕士学位论文 当： 丑c - ir il 二 = c _ k o p f c 1 2 一= c 2 。 】kd i 一 一 一 图2 9 双半桥结构的两级式低频方波电子镇流器 前面提到的这几种结构在p f c 级中都是非隔离的，图2 - 1 0 是一种带变压器隔离的两级 式低频方波电子镇流器哺1 引，它由一个起功率因数校正作用的反激式变换电路和一个给灯提 供低频方波电压的半桥逆变器组成。这种两级结构的镇流器功率因数和t h d 都能表现不错， 但是功率大小在一定程度上受到了反激式变压器的限制。 图2 1 0 一种反激式两级结构的低频方波电子镇流器 ( - - ) 单级功率因数校正+ 逆变结构 图2 - 1 1 是一种具有填谷式结构的两级式低频方波电子镇流器嵋1 6 1 。该电子镇流器采用单 级功率因数校正级加逆变级电路结构，b u c k - - b o o s t 电路起到了功率因数校正和功率控制的 作用。这种拓扑的特点是：在上述的b u c k - - b o o s t 功率因数校正电路基础上补充了一个填谷 电路，在这种方式下只有在输入电压大于电容c 1 电压端电压时，输入电压才会对降压逆变 级供电，否则就由储存在电解电容c l 上的电压为电子镇流器供电。由于采用单级功率因数 校正和填谷电路，功率因数和t h d 受到了一定的影响，但是也正是由于采用了填谷结构，电 子镇流器能够有效地避免灯电弧的熄灭，防止了再点火的现象，使灯的工作比较稳定。 1 8 浙江大学硕士学位论文 i t i 十一电感， 】r 、，y 一、一 i j 叫： 、， c l 矿 一 型： 填谷结构 = s 5i p 一 1 匀】 融i 图2 1 1 具有填谷电路的两级式低频方波电子镇流器 图2 1 2 为一种隔离式的两级结构，它将功率因数校正和d c d c 变换级集中到了一级。 其中t 1 、s 1 、d 5 、c 1 构成反激式变换电路，实现功率因数校正功能；s l 、l 2 、d 7 、c 2 构成 b u c k - - b o o s t 电路，实现功率控制功能：开关s 1 为两个变换器共用。后面的全桥电路与三 级结构类似，给灯提供低频方波电压。 图2 - 1 2 一种隔离式的两级结构低频方波电子整流器 四、两级式低频方波h i d 灯电子镇流器的比较 从上面的几种主要的两级式低频方波电子镇流器的研究可以看到，将功率因数校正和降 压功能做到一级再加逆变级的这种两级电路结构，主要是将原来的两个变换器的开关结合在 一起，利用控制上的方法，使一个开关同时实现两种功能，一般是保证功率控制的目标，同 时实现功率因数校正的目的( 如图2 - 1 2 介绍的拓扑结构) ，从图2 - 1 2 这个电路的具体实现 来看，要达到高功率因数，t 1 的原边电感l p 必须一直工作在d 例状态，这样就会导致流过 开关s 2 的电流峰值很大，则流过整流二极管d l - - d 4 的峰值电流也会很大，这样就会导致开 关损耗增大而降低电路效率。事实上，有研究显示这种结构下的电路整体效率比三级拓扑下 的效率还要低，因此目前这种结构的发展比较缓慢。 将三级式电路简化成两级式电路的第二种形式即将功率控制和低频逆变电路相结合，它 1 9 浙江大学硕士学位论文 的步骤是先将b u c k 电路的电感、电容放到逆变电路中，这样就可以省去b u c k 电路的二极管， 续流工作由逆变电路的两个m o s f e t 自带的二极管完成，但是此处的电感、电容就工作在交 流状态，而后将b u c k 电路的m o s f e t 与逆变电路的两个开关结合起来，省去了b u c k 电路的 一个m o s f e t ，调节逆变电路开关管的占空比就可以实现功率的控制。这种结构的电路特点 为：实际工作时相当于两个b